摘要：城市地铁建设施工中经常面对各类地质条件，在很多地区，溶洞处理往往成为难题。以昆明地铁施工为背景，该地区岩溶极其发育。通过前期勘察，分析岩溶形态及分布规律，再对其力学指标进行统计，结合周边施工环境进行处理方案的比选，最终选择适宜的处理方法和施工工法，并在施工实践后对处理措施进行总结，是溶洞处理研究中的一系列手段。
关键词：地铁；施工；溶洞；处理
1 引言
岩溶（或称喀斯特）指可溶性岩石经水的长期作用所形成的各种奇特地质形态。如石灰岩、泥灰岩、大理岩、石膏、盐岩受水作用可形成溶洞、溶沟、暗河、落水洞等一系列形态（图1）。
1-石芽、石林；2-漏斗；3-落水洞；4-溶蚀裂隙；
5-塌陷洼地；6-溶沟、溶槽；7-暗河；8-溶洞；9-钟乳石
图1 岩溶岩层剖面图
根据填充情况，溶洞可分为：
（1）全空溶洞：溶洞内无任何填充物或者绝大部分空间被地下水充填。
（2）部分填充溶洞：溶洞内部分被淤泥或其他力学性质较差岩土填充。
（3）完全填充溶洞：溶洞被粉土、粘土或其他力学性质较好的岩土填充。
2 工程背景
昆明轨道交通北京路圆通街岩溶发育地段为圆通街站及圆通街站相临两半个盾构区间。
昆明北站～圆通街站、圆通街站～人民路站两个区间存在溶洞，以充填、半充填溶洞为主，充填物质主要为软塑状粘土、粉质粘土，局部夹碎石，详见表1。昆明北站站～圆通街站区间线路沿北京路（宽60m）走向，线间距14.0m，环城北路以北部分线路位于北京路东侧，环城北路以南部分线路位于北京路路中。区间线路两侧主要为居民住宅小区、商用楼，建筑层数2～12层不等，以10层以下居多，局部建有20层以上建筑。线路轨面埋深13.9～17.9m，结构主要穿越圆砾土层、（破碎）中风化灰岩层、全风化构造角砾岩层，区间右线全长630m，穿越的灰岩段长度约为265m，占区间总长的40%。圆通街站～人民路站区间线路沿北京路（宽60m）走向，线路位于北京路路中，线间距14.0m。区间线路两侧主要为居民住宅小区、商用楼，建筑层数2～12层不等，以10层以下居多，局部建有20层以上建筑。线路轨面埋深13.4～14.7m，结构主要穿越黏土层、（破碎）中风化灰岩层、全风化泥岩层、圆砾土层、粉土层，区间右线全长为583m，穿越的灰岩段长度约为102m，占区间总长的17%。
表1 区间及揭示溶洞情况表
区间地理位置见图2。
图2 拟建地铁地理位置图
3 勘察方法及工作量布置
按照《铁路工程勘察规范》（TB10012-2007），对车站、隧道岩溶发育地段应采用综合物探手段确定物性异常范围，并采用钻探手段加以验证。
按照《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999），复杂场地车站机动钻孔间距<25m，中等复杂场地区间30～50m。
为提高地质资料的准确性，针对岩溶发育地段采用地质雷达法结合机动钻孔的综合勘探方法，并加大勘探密度，判定场区岩溶发育程度及形态特点。
布孔原则：车站勘探孔主要按建筑物轮廓线及围护结构内外侧2～3m位置布设，勘探孔间距距离一般约为10m，勘探深度约为车站底板以下完整基岩10m。
区间勘探孔沿轨道两侧边线对称布置，勘探点平均距约20m，控制性钻孔深度至隧道底板以下2.5倍隧道洞径，洞底以下10m完整基岩。
勘察结果表明，本区属隐伏岩溶区，可溶岩基本被覆盖，钻孔见洞率约为82%。溶洞垂直方向主要分布在：标高1868.70～1886.99m，埋深：5.20～24.00 m，洞高：0.90～21.60ｍ，高度小于2.00m 约为40％，2.0～5.0m约30％个，大于5.00m约为30％，最大溶洞21.60ｍ。溶洞多数被充填，充填物为软塑状～可塑状粉质粘土，部分为圆砾土夹砂充填，局部夹碎石，部分溶洞呈半边状、串珠状分布，钻探过程中揭露有3个空溶洞。钻进过程中均漏水，不返水。
4 物理力学指标统计
该地段岩石物理力学指标详见表2。
表2 岩石物理力学指标统计表
5 区间溶洞处理措施
5.1 区间常用工法介绍
目前，国内外城市地铁区间施工较为成熟的方法有盾构法、明挖法、矿山法。
（1）盾构法
盾构法在国内地铁中得到了较为成功的应用，该法施工对周围建筑及地面变形控制较好、施工速度快，施工环境好，且随着盾构机制造技术的成熟，盾构隧道的造价已接近甚至低于矿山法隧道或明挖法隧道。
盾构机设备复杂、价格昂贵，在不利的地层条件下，对其选型须慎重。另外盾构法不适用于结构尺寸复杂多变地段的隧道施工，如渡线段、存车线地段等。
（2）明挖法
明挖法是一种便捷的施工方法，它适用各种不同的地质条件，施工工艺简单，技术成熟，施工安全，质量可靠。其缺点是施工时对周围环境和交通影响较大，且在隧道较深的情况下施工风险较大，工程造价较高。
一般而言，明挖法主要用于当隧道埋深较浅，且地面有足够的施工场地的地段，在基坑开挖范围内无重要的市政管线或市政管线可以临时改移，城市道路交通流量不大或当需要封闭道路交通时有临时改道条件，特别是盾构工作井、隧道洞口地段覆土较浅处等地段，均适宜采用明挖法施工。
（3）矿山法
矿山法适用于隧道埋深较深，地质情况较好，地下水含量小或地下水位较低的情况。矿山法施工对地层变化的适应性强，技术成熟，工法简单，施工对周边环境、地下管线和交通的影响较小。当隧道围岩松散、地下水含量大或地下水位较高时，须采取降水、注浆加固等辅助施工措施。施工所产生的地表沉降量也较大，工期较长，施工的安全性较差，投资的可控性差。
5.2 施工工法比选
对非隐伏岩溶区而言，上述三种工法各有优缺点，各工法的优缺点详表5。
表5 施工方法分析比较表
对隐伏岩溶区地铁隧道施工而言，施工工法的选择要着重考虑岩溶对隧道的影响，一般遵循能避让就尽量避让，不能避让就进行治理的原则，现就相关工法在地铁隧道施工的适宜性及产生的工程问题做简单叙述。
（1）盾构法的适宜性
在隐伏岩溶区，采用盾构法施工，盾构隧道的工程问题主要有如下几个方面：
①盾构隧道在基岩中通过，其工程问题是岩溶洞穴的涌水、涌泥及盾构机姿态失控或陷落；
②盾构隧道在复合地层中通过，即上部为土层，下部为基岩，其工程问题是盾构机姿态的控制，下部岩溶突水、突泥问题，地面沉降问题；
③盾构隧道在隐伏岩溶区上覆地层中通过，其工程问题较少，但仍需防止岩溶承压水对盾构施工的影响。
如盾构隧道需要在岩溶区通过，并穿过岩溶洞穴，需事先探明穿越地层的溶洞分布及发育情况，采取注浆充填岩溶洞穴，在隧道通过地段，由外至里、由疏至密进行充填。
（2）矿山法的适宜性
在隐伏岩溶区，矿山法开挖隧道的工程问题较多，主要有突水、突泥、地面塌陷等，隧道在上覆土层中通过则要验算隧道底板土层厚度是否能够抵御岩溶承压水的水头，同时，亦要考虑第四系砂层地下水对隧道施工的影响。隧道在岩溶区基岩中通过时，仍需采取注浆充填岩溶洞穴。防止隧道开挖时产生的突水、突泥、岩溶地面塌陷事故。而且对岩溶洞穴的充填处理难度高，处理费用大，处理效果不理想。
（3）明挖法的适宜性
在隐伏岩溶区采用明挖法施工时，在明挖开挖区域范围内的溶洞，可以通过基坑开挖予以揭示，但是开挖区以外的地层同样需要首先探明溶洞的发育及分布情况，对于昆明轨道交通首期工程相关隐伏岩溶区的区间隧道而言，依据目前的钻探资料，多数溶洞存在于隧道底板以下，仍待探明。
当第四系土层较厚时，采用明挖法施工可以避免暗挖法所遇到的工程问题。但明挖法在第四系土层厚度较薄地段，基坑底板可能容易产生突水现象。同时，在第四系砂层厚度大、下水丰富的地段，则要求做好止水降水工作，要求基坑围护结构不但要满足自身稳定性，还要有可靠的止水、防水措施，确保基坑围护结构能起到挡土止水作用。
综上分析可得无论采取上述何种工法施工，岩溶区都存在事先探明溶洞分布及发育情况，探明后采取相关处理措施等工程问题。对于昆明北站～圆通街站～人民路站区间而言，两侧建筑物密集，埋深较大，就周边环境和埋深情况而言不适宜采用明挖法施工。如采用矿山法施工，除了上述分析的相关问题外，圆砾层段需采取大量辅助施工措施，施工的安全性较差，亦不推荐。采用盾构法施工风险小，施工速度快，推荐采用盾构法施工。
对岩溶区采用盾构法施工，还会遇到灰岩强度的问题，对于昆明轨道交通首期工程隐伏岩溶区而言，依据目前钻孔揭示，灰岩的最大饱和抗压强度为118MPa左右，该岩石强度在复合式盾构机的处理范围内。
5.3 溶洞理论分析
溶洞的存在对结构安全是否存在影响是确定其是否需要处理的前提，目前，对于城市地铁地下区间而言，溶洞的存在对区间安全性的影响没有相关的规范规定的定量或定性判据。在路基工程的相关设计中，有关于洞区路基设计的相关规定，包括如何判定溶洞对路基结构的影响，以及如何处理有对结构有影响的溶洞均有部分条文予以说明。对于路基工程而言，判定溶土洞对结构安全性影响的主要控制条件有两个方面，一是底板安全厚度，二是溶洞离路基的安全距离。
5.3.1 顶板安全厚度
顶板安全厚度是溶洞稳定性评价中的重要控制因素，评价溶洞稳定性必须掌握和分析以下条件：
（1）洞穴条件：包括洞穴的位置、形态、大小、顶板厚度、洞顶形态、跨度、围岩岩性、岩体强度、岩层产状、节理裂隙状况、顶板岩体的岩溶发育状况等等。
（2）相关条件：荷载状况（受荷时间、荷载性质及大小），岩石含水量及温度变化影响、水动力条件及其搬运作用等。
溶洞稳定性评价是一个复杂而且比较困难的问题。目前工程实践中只能把以上因素加以概化，提出一些近似的办法加以处理。以下几点可供参考：
（1）近似结构分析法
①荷载传递线交汇法
参照梁的设计，假定荷载扩散角为30°～35°向下传递，此传递线交于顶板与洞壁的交点以外时，即认为洞壁直接支承顶板上的外荷与自重，顶板是安全的。
②双向板分析法
完整的水平顶板，可以近似地作为四周嵌制的矩形板验算其稳定性。
③临界厚跨比法
影响溶洞顶板稳定性的四个主要因素为顶板的完整度、洞顶形态（成拱状况）、顶板厚度和建筑物跨过长度。以未成拱的水平顶板受力最不利，见图8。
图8 厚跨比概念图
当溶洞顶板都属完整时，则可取水平顶板的厚度H与跨长L之比为最小者，作为评价完整顶板安全厚度的临界值，大于此值的顶板为安全。国内不同研究资料对安全厚跨比提出了不同的经验值，为0.20～0.87。
（2）相关理论分析
对于区间隧道结构而言，以下我们从隧道力学的角度出发，分析溶洞距离区间隧道底部的安全距离。对于处于图9所示的原岩应力状态的边界条件下，毛洞形成后，围岩的应力开始重分布，其应力状态见图10。
图9 毛洞应力边界条件
圆形洞室的开挖对相关应力的影响情况，根据隧道力学的相关原理，依据G.Kirsch公式，对轴对称条件下的地下洞室而言，其应力状态可通过图11予以表示。
图10 轴对称条件下毛洞时的围岩应力状态
由图10分析可得，随着的增加，即离隧道洞室周边愈远，洞室周边围岩的应力都很接近原岩应力状态，当大于5时，相差都在5%以内（为4%）。
（3）本工程取值
在区间隧道开挖前，地层中存在的溶洞在自然条件下是稳定的，隧道开挖后，受隧道周边地层应力重分布的影响，溶洞的应力状态也相应的发生了改变，可能会导致溶洞的失稳，甚至塌陷，直至周围地层建立新的稳定平衡。
由上一节的分析可知，对于存在毛洞的地层而言，当大于5时，洞室周边的应力与原岩应力状态相差都在5%以内。而区间隧道结构为存在支护的洞室结构，对于存在支护的洞室而言，其应力影响范围较毛洞要小，因此，对于区间隧道施工前稳定的溶洞而言，当其位于隧道结构底板以下（12.4m）时，区间隧道的施工开挖对溶洞应力状态的影响可以忽略不计，考虑到管片衬砌结构的支护作用，本工程结构底部以下10m以下的溶洞可认为不受盾构施工的影响。
5.3.2 侧面安全距离
（1）相关规范规定
关于溶洞距离结构物侧面的安全距离问题，在地铁区间隧道方面也没有相关资料介绍，在路基工程设计方面有相应条文。《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）以及《铁路特殊路基设计规范》（TB10035-2006）均有类似的规定，具体为当岩溶地貌位于路基两侧时，应判定岩溶对路基的影响。对于开口的岩溶地貌可参照自然边坡来判别其稳定性及其对路基的影响；对于地下溶洞可按坍塌时的扩散角（见图11）、式（4-1）计算其影响范围。
图11 溶洞安全距离计算示意图
（4-1）
（4-2）
式中：——溶洞顶板厚度（m）
——坍塌扩散角（°）
——安全系数，取1.10～1.25
——岩石内摩察角。
如在顶板岩层上有覆盖土层，则自土层底部用45°角向上绘斜线，求出与地面的交点。路基坡脚应在交点范围以外。路基坡脚处于溶洞坍塌扩散的影响范围之外，该溶洞可不作处理。
（2）相关理论分析
（支护应力为原岩应力的0.5倍）
图13 轴对称条件下有支护时围岩应力状态
地下区间隧道结构为存在支护的圆形洞室结构，对于存在支护结构的圆形洞室而言，其应力状态可通过图13予以表示。
由图13分析可得，随着的增加，即离隧道洞室周边愈远，洞室周边围岩的应力都很接近原岩应力状态，在支护应力为原岩应力的0.5倍时，当大于4时，相差都在5%以内（为3.13%），当等于3时，相差为5.56%。
（3）本工程取值
对区间隧道结构而言，由上述分析可知，在存在管片衬砌支护的前提下，当等于3时，区间隧道洞室周边的应力与原岩应力状态相差为5.56%以内，因此，对于工程施工前本稳定的溶洞而言，当其位于隧道结构侧面边线（6.2m）以外时，洞室开挖对溶洞的影响可以忽略不计，即距离本工程结构侧面结构边线6.2m以外的溶洞可认为不受盾构施工的影响。
5.4 溶洞的处理
相关路基规范规定，对路基结构稳定性有影响的溶洞均应采取相应的措施予以处理，具体如下。
《铁路特殊路基设计规范》（TB10035-2006）规定线路应尽量绕避岩溶发育地区，绕避困难时，路基工程宜选择在岩溶发育最窄、易于处理的位置通过。同时应采取相应的处理措施：
（1）裸露和埋藏较浅的溶洞可根据其大小、深度、所处位置及施工条件选择回填封闭、盖板跨越、支顶加固等措施处理。覆盖层厚度小于5m的溶洞和溶蚀裂隙发育带，采用注浆加固时，注浆深度应根据溶蚀裂隙发育情况或溶洞大小，顶板厚度，溶洞的厚跨比等综合确定。路基基底以下处理深度不宜小于10m。
（2）埋藏较深的溶洞和溶蚀裂隙发育带宜采用注浆封闭土、石界面、形成隔水帷幕、厚度为5～8m，其中进入基岩内的深度不宜小于3m；岩溶很发育，溶洞呈串珠状或空洞较大时，进入基岩内的深度应适当增加。
（3）覆盖层土洞埋藏较浅时，宜回填夯实并作好地表水的引排封闭处理；土洞埋藏较深时，宜采用充填、注浆或全覆盖层注浆加固等措施处理。
（4）对易产生土洞的覆盖层，宜针对诱发因素采取注浆加固或封堵等措施。
（5）注浆加固分段应综合考虑加固后地下水条件变化等因素的影响，消除隐患。
5.4.1 地下区间岩溶风险区划分
依据溶洞距离隧道结构的距离（垂直距离和水平距离）将隧道周边岩溶区域划分为高风险区和低风险区域。
图14 区间隧道溶洞风险区划分
图14所示区域为本工程区间隧道结构周边溶洞的风险区划分示意图，
图14所示区域为本工程区间隧道结构周边溶洞的风险区划分示意图，结构侧边线两侧1D范围内一直延伸至地表及结构边线底部10m线以上部分区域为溶洞高风险区段。上述区域以外的区域为低风险区。
5.4.2 地下区间溶洞处理
（1）处理原则
①为防止土洞扩张危及区间隧道结构安全，凡是发现的土洞一律采取注浆充填处理；
②高风险区需进行重点处理；低风险区一般不进行处理，个别处有大溶洞或溶洞强烈发育视情况处理。
③溶洞分布及处理范围参照隧道纵剖面图结合施工探灌等相关手段综合判定。
（2）处理目的
通过岩面注浆，对岩土交界面层处理，降低岩面土层与基岩水的互通性，降低土洞发生机率，同时提高该处地层的承载力；溶洞填充物灰岩地层承载力有很大差别，通过对隧道一定深度范围内的溶洞预先充填处理，使溶洞范围内的地层达到设计要求的强度，改善盾构推进范围内地层的均质性，减小水的流动性，以保证施工和运营安全。
对于高风险区，溶洞采用“溶洞充填外加岩面注浆”及预留注浆管的方案综合处理。充填处理主要是根据溶洞的大小及原始充填情况采取先充填砂夹石，再静压灌浆或直接静压灌浆的方法。根据以往在防治岩溶地面塌陷实践，充填注浆是有效的措施，采用密布的压浆孔可以揭露溶洞，消除隐患；压浆以充填溶洞穴，防止其坍塌；浆液扩散渗透，可消除或击破相邻溶洞使之坍塌随即处理。
岩面注浆是采用袖阀管在岩土界面上进行注浆加固，其目的主要是压浆封堵基岩和土层的界面，压浆管只在界面附近开孔，用较高的压力将界面上的溶槽、溶沟、破碎带、构造带、节理、裂隙，全部用浆液固结，将界面周边的溶洞填满，将溶洞和界面连通的通路（洞口）封住，甚至固结，从而阻止已有溶洞、土洞的发生发展，阻止或延缓新溶洞的形成。
对于低风险区的个别溶洞仅做充填注浆处理。若遇空的岩溶通道、较大溶洞和裂隙，视具体情况先灌注中粗砂或稀的水泥砂浆对溶蚀腔体进行充填，再采用水泥浆液或双液注浆，全充填溶洞一般采用单液注浆。
区间隧道周边注浆孔布置情况分别如图15、16所示。
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图15 盾构隧道注浆孔平面布置图
（3）处理方案
①填充溶洞处理
采用静压灌浆法，在钻孔中插入袖阀管下到溶洞底面，进行深孔注浆。袖阀管采用Φ90PVC 管，注浆扩散半径设计为1.5m，钻孔间距2.0m×2.0m正方形布置。静压灌浆法浆液采用纯水泥浆，水灰比=0.5：1～1：1，注浆压力0.2～0.3MPa；对于洞内水有流动性时，周边孔应在浆液中加入掺加速凝剂，控制浆液凝固时间在10～20 秒左右。注浆施工时，应采取分序孔的注浆方式，采用先外围后内部、先下后上的注浆施工方法。为保证浆液不至于跑得太远，应采用间歇定量分次，先低压灌浆后高压补强注浆的方法，在注浆压力下，吸浆量1～2L/min稳压15min 终注。
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图16 盾构隧道注浆孔横断面布置图
②半填充、未填充溶洞的处理
当溶洞高度大于2m时，地面钻孔放入钢套管并固定，将Φ200 注砂管放至溶洞上，用高压风机将干砂压入，为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它灌浆孔作为减压孔。吹砂填充密实，压力稳定时即可停止。然后再用其它孔插入袖阀管静压灌浆填充密实。当溶洞高度小于2m 时，直接采用袖阀管静压灌浆填充密实。
岩面注浆处理方案
岩面采用Φ90PVC 袖阀管注浆。加固区域宽度为线路中线两侧各1D(D为管片外径)，高度为岩面上1m 范围内的土层。注浆扩散半径设计为1.5m，布孔间距按3m ×3m 梅花型布置。首先施工90mm～130mm 直径的钻孔至岩面下0.5m，然后下袖阀管进行注浆。
（4）处理顺序
①先对高风险区周圈开放连通的裂隙通道封闭注浆，然后处理中间区域，以确保注浆效果，减少注浆损失。
②中间区域梅花形跳孔施工，以防止跑浆，窜浆现象。
5.4.3 效果检测
高风险区域内溶洞经注浆填充后其内部土体应有良好的均匀性、自立性、密闭性，采用随机钻孔取芯，加固后取芯无侧限抗压强度应大于1.0MPa，在换刀处标准可适当提高，检测数量不少于注浆孔数量的3％。同时在对取心钻孔辅以压水试验，检查钻孔注浆加固体透水性强弱和充填密实度。
6 结束语
对于存在溶洞的地铁区间施工，无论采取上述何种工法施工，岩溶区都存在事先探明溶洞分布及发育情况，探明后采取相关处理措施等工程问题，而昆明地区最宜采用的施工工法为盾构法。施工之前应对结构的顶板安全距离和侧面安全距离进行理论分析，对填充溶洞采取静压灌浆法处理，对半填充、未填充溶洞采取灌砂或岩面注浆处理。
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论文作者:李贵仁
论文发表刊物:《基层建设》2015年7期
论文发表时间:2016/9/1
标签：溶洞论文; 岩溶论文; 隧道论文; 盾构论文; 区间论文; 注浆论文; 应力论文; 《基层建设》2015年7期论文;